響應(yīng)政府的號召，提升鋰離子電池的能量密度成為各電池廠家、研究機構(gòu)的熱點問題。寧德時代、天津力神、國軒高科等團隊，已經(jīng)基本實現(xiàn)了300瓦時/公斤動力電池的研發(fā)，另外，仍舊有大量單位開展相關(guān)方面的開發(fā)和研究工作。

軟包裝鋰離子電池的構(gòu)成通常包括正極、負極、隔膜、電解液及其他必要的輔助材料，如極耳、膠帶和鋁塑等。根據(jù)討論的需要，本文作者將軟包鋰離子電池內(nèi)的物質(zhì)劃分為極片單元組合和非貢獻能量物質(zhì)兩大類，其中極片單元是指一片正極加一片負極，整個電池內(nèi)的所有正極和負極可看成是若干個極片單元組成的極片單元組合;非貢獻能量物質(zhì)是指除極片單元組合外其他所有的物質(zhì)，如隔膜、電解液、極耳、鋁塑、保護膠帶和終止膠帶等。對于常見的LiMO2(M=Co、Ni和Ni-Co-Mn等)/碳體系的鋰離子電池，極片單元組合決定了電池的容量和能量。

目前，為了實現(xiàn)電池的質(zhì)量比能量300Wh/kg的目標(biāo)，主要的方法包括：

(1)選擇高容量材料體系，正極采用高鎳三元，負極采用硅碳;

(2)設(shè)計高壓電解液，提高充電截止電壓;

(3)優(yōu)化正負極漿料的配方，增加活性物質(zhì)在電極中占比;

(4)采用更薄的銅箔、鋁箔，減少集流體的所占的比例;

(5)提高正負極的涂布量，增加活性物質(zhì)在電極中占比;

(6)控制電解液的數(shù)量，減少電解液的數(shù)量提高鋰離子電池比能量;

(7)優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)，降低極耳、封裝材料等在電池中所占的比例。

在圓柱、方形硬殼、軟包疊片三種電池形態(tài)中，軟包電池具有設(shè)計靈活、重量輕、內(nèi)阻小、不易爆炸、循環(huán)次數(shù)多等特點，電池的比能量性能也突出。因此，疊片式軟包動力鋰離子電池是目前研究的熱點。在疊片式軟包動力鋰離子電池型號設(shè)計過程中，主要的變量可區(qū)分為以下6個方面，前3者可認為是由電化學(xué)體系水平、設(shè)計規(guī)則決定的，后3者通常是型號設(shè)計關(guān)注的變量因素。

(1)正負極材料和配方;

(2)正負極壓實密度;

(3)負極容量(N)與正極容量(P)的比值(N/P);

(4)極片單元數(shù)量(等于正極片數(shù)量);

(5)正極涂布量(在N/P確定的基礎(chǔ)上，先確定正極涂布量，隨之可確定負極涂布量);

(6)單片正極的單面面積(由正極片長度和寬度決定，當(dāng)正極片長度和寬度確定后，負極片的尺寸也隨之確定，電芯尺寸即可確定)。

首先，根據(jù)文獻【1】，探討極片單元數(shù)量、正極涂布量和單片正極的單面面積對電池比能量、能量密度的影響。電池的比能量(ES)可用式(1)表示。

式(1)中：x為電池中包含的正極片數(shù)量;y為正極涂布量，kg/m2;z為單片正極的單面面積，m2;x∈N*，y>0，z>0;e(y，z)為一個極片單元所能貢獻的能量，Wh，計算公式見式(2)。

式(2)中：DAV為放電平均電壓，V;PC為正極活性材料質(zhì)量與正極活性材料加導(dǎo)電劑加粘結(jié)劑的總質(zhì)量的比值，%;SCC為正極活性材料的比容量，Ah/kg;m(y，z)是一個極片單元的質(zhì)量，kg，計算公式見式(3)。

式(3)中:KCT為單片正極總面積(涂層面積和極耳箔面積之和)與單片正極的單面面積之比，且大于1;TAl為鋁集流體的厚度，m;ρAl為鋁集流體的密度，kg/m3;KA為每片負極總面積與單片正極的單面面積的比值，且大于1;TCu為銅集流體的厚度，m;ρCu為銅集流體的密度，kg/m3;N/P為負極容量與正極容量的比值;PA為負極活性材料質(zhì)量與負極活性材料加導(dǎo)電劑加粘結(jié)劑的總質(zhì)量的比值，%;SCA為負極活性材料的比容量，Ah/kg。M(x，y，z)為非貢獻能量物質(zhì)的質(zhì)量，kg，計算公式見式(4)

式(4)中:kAP為鋁塑面積與單片正極的單面面積的比值，且大于1;SDAP為鋁塑的面密度，kg/m2;mTab為正負極耳的總質(zhì)量，可看成常量;mTape為膠帶的總質(zhì)量，可看成常量;kS為隔膜總面積與正極片總面積的比值，且大于1;SDS為隔膜的面密度，kg/m2;kE為電解液質(zhì)量與電池容量的比值，該系數(shù)為正數(shù)。據(jù)此可以得出：x、y和z任一單因素增大，將使電池的比能量增大。

為研究極片單元數(shù)量、正極涂布量和單片正極的單面面積對電池比能量、能量密度影響的顯著性，首先選定某一電化學(xué)體系和設(shè)計規(guī)則(即確定電極材料與配方、壓實密度及N/P等)，再將極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積等三因素的各水平進行正交組合，對以某一組確定的電極材料與配方、壓實密度及N/P為基礎(chǔ)計算出的計算出的電池比能量、能量密度進行極差分析。正交設(shè)計及計算結(jié)果見表1。采用極差法對正交設(shè)計結(jié)果進行分析，結(jié)果見圖1。電池的比能量、能量密度隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增。在極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中，正極涂布量對電池比能量的影響最顯著;在極片單元數(shù)量、電極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中，單片正極的單面面積對電池能量密度的影響最顯著。

從圖1a可知，電池的比能量隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增，驗證了前一部分理論分析的正確性;影響電池比能量最顯著的因素是正極涂布量。從圖1b可知，電池的能量密度隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增，也驗證了前一部分理論分析的正確性;影響電池能量密度最顯著的因素是單片正極的單面面積。根據(jù)上述分析可知，要想提高電池的比能量，盡可能提高正極涂布量是關(guān)鍵，在確定能接受的正極涂布量上限之后，調(diào)整余下的因素水平，以實現(xiàn)客戶的要求;要想提高電池的能量密度，盡可能提高單片正極的單面面積是關(guān)鍵，在確定能接受的單片正極的單面面積上限之后，調(diào)整余下的因素水平，以實現(xiàn)客戶的要求。

據(jù)此可以得出：電池的比能量、能量密度隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增。在極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中，正極涂布量對電池比能量的影響最顯著;在極片單元數(shù)量、電極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中，單片正極的單面面積對電池能量密度的影響最顯著。

然后，根據(jù)文獻【2】，探討在確定的材料體系和加工工藝水平下，只對電池的容量做要求，對電池尺寸及其它性能指標(biāo)不做要求時，如何將電池的質(zhì)量做到最小。以正極片數(shù)量和正極片長寬比為自變量的電池質(zhì)量計算如公式(5)所示。

式(5)中，M(x，y)是電池的總質(zhì)量;x是電池中的正極片數(shù)量;y是正極片長寬比(其值等于寬度除以長度，如圖2所示);k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7是系數(shù)，其值由電池容量、材料體系和加工工藝水平相關(guān)的26個參數(shù)決定，見表2，當(dāng)表2中各參數(shù)確定后，各系數(shù)隨之確定，26個參數(shù)與k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7的關(guān)系很簡單，但是推導(dǎo)過程很繁瑣。對公示(5)進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，通過調(diào)整正極片數(shù)量和正極片長寬比，能取得型號設(shè)計所能實現(xiàn)的最小電池質(zhì)量。

圖2疊片電池長寬示意圖

表2疊片電池設(shè)計參數(shù)

表2中，具體數(shù)值是容量為50.3Ah的電池的實際參數(shù)值，相關(guān)參數(shù)確定出k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7分別為0.041、0.680、0.619、13.953、8.261、639.554、921.609，x為21，y為1.97006(正極片寬度329mln，長度167mm)，優(yōu)化后，正極極片數(shù)為51時，電池質(zhì)量最小。